季冻区温度变化对基坑支护结构影响模拟分析
2021-05-06沈琪，孙超
沈 琪，孙 超
吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,长春 130118
随着我国经济的快速发展,越来越多的地下工程设施开始兴建,如铁道、商场等大型地下结构,因此产生了大量的深基坑工程.冻土地区的深基坑建设更受到了高度重视,尤其在支挡式结构物所受的水平冻胀力问题上.近年来许多学者对季冻区水平冻胀力进行研究,并取得了很高的科研成果.王建州等[1]人采用物理模型试验方法,研究深基坑在冻结过程中冻胀力的变化,得出冻胀过程中和冻融后冻胀力的变化规律.王艳杰[2]采用有限元模拟软件，通过改变土性、初始含水率及支护条件等因素分析水平冻胀力的变化特性,并结合理论公式的计算,两者结果比对分析结构受力情况.孙超等[3]人采用FLAC 3D数值模拟方法,分别模拟粉质粘土,粘土在相同的负温变化下,桩体水平冻胀力的大小和分布模式,并拟合出最大水平冻胀力与温度,位移之间的关系式.闫纲丽等[4]人通过FLAC 3D软件模拟与实际工程监测数据对比反映软件的可靠性,并得出基坑中上部水平位移最大,到基坑角部位移值达到最小.本文采用FLAC 3D软件[5-6]分析悬臂桩基坑支护在正负温下所受水平冻胀力和桩后土压力的分布情况,桩体在正负温作用下的水平位移变化趋势.
1 FLAC 3D软件6.0简介
FLAC 3D为有限差分软件,与其它有限元软件相比的优点:
(1) FLAC 3D采用显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术,相比其它采用“离散集成法”的有限元软件,更精准地模拟材料的塑性变化.
(2) 由于显示法不形成刚度矩阵,能求解大范围的三维问题.
(3) 在模拟静态系统时通过方程转换求解,解决了模拟物理上的不稳定过程数值问题.
(4) 对于较复杂的模型建模,可在其它软件上建模再导入FLAC 3D中进行后续分析；也可以自己编写FISH语言,自定义变量或函数等方法来解决不同问题.
(5) FLAC 3D采用增量法,即位移与应力没有直接关系,且随时改变,材料属性参数也可随时改变而不影响当前的应力状态.
FLAC 3D软件6.0与之前版本相比较有许多新特征:
(1) 操作界面有所更新,用户可以在屏幕上的帮助文件快速搜索及浏览内容,可重复浏览并复制示例,比之前更为直观.也可按住
(2) 新嵌入两个模块Building Blocks和Model Pane.Building Blocks支持从CAD或其他软件导入的几何面作为背景数据,能捕捉面、线、点等进行处理.Model Pane能对其单元体或其面进行操作,使建模更多样化、更加强大.
(3) 命令和语言脚本做了更改,使命令更明加明确,不与其它语言混淆.
(4) 新嵌入了6个本构模型.除此之外,还可以自定义本构模型求解.
(5) 结构单元的创建更加容易,命令也特别有效,增加的许多选项使生成支护构件更方便,且计算速度也大大提升.
图1 计算模型Fig.1 Computational model
2 模型创建
2.1 计算模型尺寸
本文基坑支护结构为悬臂桩支护,在模拟深基坑开挖时,基坑的几何形状,开挖深度及土体参数对模拟具有一定的影响.通常情况下对模型竖向深度范围与水平方向宽度有一定要求,水平方向3.5倍左右开挖宽度.本文基坑开挖深度6 m,水平宽度16 m,x轴为水平向右方向,取40 m,沿基坑长度方向为y轴,取1 m,z轴垂直向上,取25 m,模型上边界为地表,模型总尺寸为40 m×1 m×25 m.桩长12 m,桩径为1 m,嵌固深度6 m,计算模型见图1.
2.2 确定参数及边界条件
本文研究土体采用摩尔-库仑本构模型,粉质黏土的物理力学参数引用单喜垒[7]室内试验获取实验参数见表1.通过实验可得出土体在常温下物理力学参数,冻结下物理力学参数以及土体随温度变化参数,土体热力学参数按照《冻土工程地质勘察规范》选取,见表2,将上述参数运用到模拟中,并对模拟结果进行对比,从而对不同情况下支护结构的受力和变形等进行分析.支护桩材料参数引用郭浩天[8]非饱和土三轴实验参数见表3.
表1 粉质黏土物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of silty clay
表2 粉质黏土热力学参数Table 2 Thermodynamic parameters of silty clay
表3 支护桩材料参数取值Table 3 Material parameters of supporting pile
位移边界条件:计算模型中模型位移为零,需在模型周边固定法向边界,底面x,y,z这3个方向固定,只允许模型顶面边界自由.
温度边界条件:模型前后,左右及底面设置为绝缘边界,分别在地表,坑底,坑壁处施加-1 ℃,-5 ℃,-10 ℃,-15 ℃和-20 ℃,为使土体冻结稳定,采取每种负温作用下冻结两个月.在上述温度场基础上再分别在地表,坑底,坑壁处施加1 ℃,10 ℃,20 ℃,采取每种温度作用2个月.
3 数值模拟结果分析
3.1 初始应力结果分析
由图2可知,土体初始应力沿深度呈层分布,模型底部自重应力σzz=453.1 kPa,此值与初始应力计算公式σzz=ρgz=1.85×10×25=462.5 kPa(z为土层深度)得出的值非常相近,证明模型建立的合理性.
图2 初始应力分布云图Fig.2 Initial stress distribution nephogram
3.2 桩体水平冻胀力结果比较分析
冻结及冻融在不同温度作用下,水平冻胀力及土压力变化曲线如图3,图4所示.
图3 冻结作用下水平冻胀力Fig.3 Horizontal frost heaving force under freezing action
图4 冻融作用下桩后水平力Fig.4 Horizontal force behind pile under freeze-thawaction
由图3可知,桩顶向下2 m范围内,水平冻胀力随深度的增加逐渐减小,在-1 ℃降到-10 ℃时,冻结作用下水平冻胀力逐渐增大,随着温度继续降低,其水平冻胀力逐渐减小;在-2 m到基坑底部,随着温度的降低,冻结土层逐渐变厚,冻结速率变快,水平冻胀力随深度逐渐增加,并且随着温度的降低逐渐增大,其产生的最大峰值为37.25 kPa;在坑底到桩底位置处,水平冻胀力随深度又逐渐减小.
由图4可知,冻融作用后,土体温度逐渐升高,冻结土体逐渐减少,桩侧土压力随着温度的升高也逐渐减小,最大桩侧土压力为71.31 kPa.在坑底以下部分,随着深度增加土体受到冻融影响相对较小,故桩后土压力值变化不明显.
由图3,图4分析可知,季冻区水平冻胀力的影响不容小觑,地基选在干燥较平缓的地区或土冻胀较小的地上是很有必要的.
3.3 桩体水平位移结果比较分析
冻结及冻融在不同温度作用下,桩后水平位移值曲线如图5,图6所示.
图5 冻结作用下桩后水平位移Fig.5 Horizontal displacement behind pileunder freezing action
图6 冻融作用下桩后水平位移Fig.6 Horizontal displacement behind pileunderfreeze-thaw action
由图5可知,桩体在桩顶处的水平位移最大,由于土体随温度降低逐渐冻结,桩后水平位移随温度的降低也逐渐增大,桩后水平位移最大值为0.147 m.
由图6可知,冻融后温度逐渐升高土体开始融化,桩后水平位移随温度的升高逐渐减小,虽然温度逐渐升高,但冻结对桩体位移存在一定影响,不可能恢复到原位置.
由图5,图6分析可知,在桩顶位移量很大,冬季施工可对地表采取过冬保温措施,从而减少不必要的施工事故.
4 结论
本文运用FLAC 3D数值模拟对季冻区不同温度下基坑支护进行模拟,采用室内试验获取的不同土体参数,并对冻融过程中支护桩的水平位移、桩侧水平冻胀力及土压力等进行分析,得到如下结论.
(1) 土体分别在-1 ℃,-5 ℃,-10 ℃,-15 ℃和-20 ℃下冻结2个月,冻结温度不同,随着冻结温度越低,深度逐渐增大.冻结后土体上再施加1 ℃,10 ℃,20 ℃作用2个月,融化后的土体变形对基坑支护有一定的影响.
(2) 冻结作用时,土体随温度降低水平冻胀力越来越大,最大水平冻胀力在坑底附近处.随着正温的升高,土体逐渐融化,冻结土体逐渐减少,桩侧土压力随着温度的升高也逐渐减小.
(3) 桩体的水平位移在负温下,桩顶位移最大,且随温度的降低位移越来越大,呈直线型;冻融作用后,土体融化,桩后水平位移随温度的升高逐渐减小.
